河道砂石坑治理措施与综合利用探讨

潘海琳，焦彩虹

（北京市水利规划设计研究院，北京 100048）

河道砂石坑治理措施与综合利用探讨

潘海琳，焦彩虹

（北京市水利规划设计研究院，北京 100048）

废弃、裸露的砂石坑对环境及社会发展有着极其恶劣的影响。本文结合密云县沙河治理工程，力求探索一种科学合理、经济可行的砂石坑综合治理思路。同时结合现场实际情况及相关工程，提出了滞洪蓄洪及蓄水回灌综合利用方式，为其它类似工程设计提供参考。

砂石坑；陡坡整治；生态修复；蓄滞洪区；蓄水回灌

北京市平原区位于燕山南麓，由永定河、潮白河、温榆河及拒马河等河流在冲洪积作用下形成，多年来挖沙遗留下众多砂石坑。据2007年现状调查［1］，北京市平原区深度大于 2m，面积大于1000m2的砂坑（包括粘土坑）约有500多个，对大气、水体、土壤、植被、自然景观、公共设施等方面造成了严重的危害。砂石坑表层土壤和植被破坏、消失，极易造成风沙扬尘，影响大气质量；是地下水污染的一个重要潜在威胁；坑内贫瘠的土壤、高陡的边坡等恶劣的自然条件基础使植被难以快速自然生长，生态系统严重恶化；裸露的砂石和消失的绿色植被，与城市其它区域的环境形成很大的反差；坑内砂土裸露，没有任何防护措施，河道内如有洪水经过，势必造成河道内水土流失，破坏河床的自然状态。

沙河位于密云县西南部，属潮白河水系，发源于怀柔区各山沟，在西田各庄镇西沙地村入密云，由西田各庄镇建新村南出密云县境，汇入怀柔区的雁栖河。沙河在密云境内段长约5km［2］，沙河密云境内段流域是密云经济开发区的重要组成部分，是全面落实密云生态涵养发展区的重点区域。近十多年，由于自然及人为原因，沙河河道变化较大，现状河道河底凹凸不平，砂石坑遍布，河道比降变化剧烈，岸坡立陡，堤顶路已无法通行，河道生态系统严重恶化。现状密云段沙河不仅制约了该区域的经济发展，还威胁到了周边居民的安全。为保障沙河安全行洪，保证周边地区工农业及居民安全，给河道两岸村镇建设创造良好的生态环境条件，促进地区经济发展，密云县沙河亟待治理。

1 沙河现状及存在的主要问题

1.1 砂石坑遍布，岸坡坍塌失稳现象严重

近十多年，由于暴雨冲刷及砂石滥盗滥采，河床结构遭到严重破坏，砂石坑遍布，最大砂石坑深达30多m，岸坡立陡，砂石坑段河道占治理长度80%以上，来水极易产生溯源冲刷，影响岸坡稳定。砂石坑土质为砂质土壤，坑内地表物质疏松，坡面没有固土措施，容易造成土壤的侵蚀和风化，并进一步导致风沙扬尘。

河床及河漫滩经多年人工开挖，岸坡变陡，土体易失稳而崩塌，如遇洪水，极易造成溃堤决口，威胁着沿河两岸超过53hm2耕地、林地的安全。河岸坍塌已致使堤顶路无法通行，给河道的日常管理及汛期抗洪抢险带来了极大的不便。失稳的岸坡也成为影响周边居民安全的一个社会不稳定因素。

1.2 河道行洪能力不足

河道砂石盗采的弃料直接堆放在河道主槽，严重堵塞河道，部分河道宽度不足40m，河道行洪能力不足。沙河位于地下漏斗区，由于连年干旱及河道砂卵石的强透水性，河道多年无水，周边居民在河道主槽内种植树木及庄稼，影响了河道的行洪能力。河道两岸居民为了出行及耕作需要，在河道内用砂土搭建了三条漫水路，漫水路占据了河道的行洪空间，影响了河道的行洪安全。

1.3 生态系统严重受损

沙河砂石开采没有采取“边开采，边治理”的模式，所遗留下的砂石坑对其周边的生态系统有着严重的负面影响，最直接的体现就是植被的破坏，造成砂石坑表层土壤和植被基本丧失殆尽，而砂质贫瘠的土壤、高陡的边坡等恶劣的自然条件基础使植被难以快速自然生长，植被恢复困难。从而导致砂石坑周围甚至更大范围内生物多样性减少，生态平衡失调。

河道内黄土或砂石裸露，植被缺失，导致河道蓄水能力退化。近几年连续干旱，天然降水逐渐减少，河道无水，客观上加剧了河道生态环境恶化程度。

2 砂石坑治理措施及利用对策

2.1 陡坡整治，防止堤岸坍塌

结合河道设计行洪断面对河道立陡边坡进行整治，确保堤岸稳定，保证沿河两岸村庄及耕地的安全。根据减少土方填筑量及减少拆迁占地的原则，选择1∶5缓坡、1∶3缓坡和加筋土挡墙护砌三个方案进行比较分析。

（1）方案一：1∶5缓坡方案

根据植被生长需要及稳固沙土要求，采用边坡坡比缓于1∶5的土坡保持岸坡的稳定。坡脚采用铅丝石笼护砌，护砌上覆土利于植物生长。

（2）方案二：1∶3缓坡方案

根据稳固沙土要求，采用边坡比缓于1∶3的土坡保持岸坡的稳定。坡脚采用铅丝石笼护砌，护砌上覆土利于植物生长。

（3）方案三：加筋土挡墙护砌方案

采用加筋土挡墙对砂石坑两岸立陡的边坡进行防护。护砌边坡坡度为1∶0.1；护砌高度以接近设计堤顶为原则，加筋土挡墙顶以上部分采用缓于1∶3的堤坡。护砌高度大于8m设平台一处。

陡坡整治方案选择沙河建新桥上游处典型断面（图1～图3）进行比较。

图1 方案一（1∶5缓坡护砌方案）

图2 方案二（1∶3缓坡护砌方案）

图3 方案三（加筋土挡墙护坡方案）

方案一的优点是投资最少，在项目区内能做到土方平衡，无需外购土，河道蓝线外至河道上口线可种植乔木，河道蓝线范围内可撒播草籽，最大限度的提高河道内植被覆盖度，减少水土流失；缺点是需要对用地绿线与蓝线范围内的现状林地进行更新。

方案二的优点是投资偏少，治理完成后河道内植被覆盖度较好；缺点是项目区内不能做到土方平衡，土方量缺口在100万 m3左右，需要外购大量土方，该方案实施难度大。

方案三的优点是占地少，项目区土方基本能平衡，需外购的土方量少；缺点是投资高，治理完成后河道内植被覆盖度较差，河道景观性及生态环境效益差。

经比较分析，把方案一作为沙河河岸陡坡整治的推荐方案。

2.2 子槽连通，减轻溯源冲刷

沙河砂石坑内砂土裸露，没有任何防护措施，在汛期时，河道内如有洪水经过，在雨洪的冲刷下，势必造成河道内水土流失，破坏河床的自然状态。2013年7月，沙河流域内普降暴雨200mm以上，由于大水峪水库的调洪，沙河河道过洪仅60m3/s，远低于沙河10年一遇洪峰流量425m3/s，洪水行至疃里村南砂石坑处出现了严重溯源冲刷，最深冲刷沟深达6m，如图4所示。

图4 溯源冲刷现场

由于沙河河道内砂坑遍布，坑多且深，回填至规划河底高程所缺土方量在400万m3左右，砂石坑段回填至规划河底高程实施难度较大。河道部分河段现状河底高程高于规划河底高程，且前后均为大砂石坑，为防止水流溯源冲刷导致岸坡失稳，结合河道纵断布置，该段河道疏挖至规划河底高程后在河道内设置子槽过小流量来水，使上下游砂石坑水位同步升高，如遇大流量洪水，能有效地减轻大流量洪水产生的溯源冲刷。

在子槽段河道设置堆石进行防冲防护，堆石护砌以防护主堤堤脚为主，紧邻铅丝石笼护砌（或相应的坡脚位置）布设，允许子槽适度冲刷。子槽设置见图5。

2.3 生态修复，恢复自然生境

沙河河道及砂石坑经整治后，在满足防洪、排涝等河道基本功能的基础上，综合运用水利工程学、环境工程学、生态工程学和景观园林工程学的方法和技术，遵循“近自然恢复”的原则，通过人工修复、人工干预措施促进河道生态系统修复，恢复河道的自然生态环境，构建健康、完整、稳定的河流生态系统［3］。

河流生态修复技术主要表现为实现河流流动方向的纵向连通、侧向漫溢方向的横向连通、垂向渗透方向的竖向连通［4］。

（1）为了避免割断河道的纵向连通性，避免增设横向的跨河闸、坝等建筑物。河道纵向上不设置任何跨河闸、坝等建筑物，并通过设置子槽，保证沙河河道在纵向贯通。

（2）横向连通性是指河流生态要素在河流侧向漫溢方向的空间连通程度，主要体现在护岸的处理做法。本工程就地取材，采用覆土石笼护岸，土质较好处河道边坡，可直接于坡面种植植物，进行自然植被恢复；必要处土壤基质改良后按照草灌乔的演替顺序依次进行植物配置，利用适应砂石坑地区土质、气候条件的本土植物进行生态修复，发挥野草、乔木的生态效益。设计前期引种成活率高、成本低、经济效益好的植株品种，之后由植被在自然作用下自由发展，形成荒野型植被，任其自然生长，尽量避免人类活动的干扰。

（3）竖向连通性用以表征地表水与地下水的连通程度，反映河流基底受人为干扰的程度，一般以河道渗透量来表示。本工程避免设置减渗措施，保持河道的自然渗透性，保证河道的竖向连通性，利用砂质河床蓄水回灌，涵养地下水源。

2.4 滞洪蓄洪，减轻防洪压力

利用河道附近砂石坑滞蓄洪水，可有效削减河道洪峰流量，发生大洪水时可以减少洪水下泄，减轻下游地区防洪排水压力，为流域防洪起到积极的作用。平时的中小洪水滞蓄后可回灌地下水，改善地区生态环境。

在沙河牤牛河分水口外侧有一块三角地带，约27.5hm2，现状砂石坑遍布，可作为蓄滞洪区。蓄滞洪区位于沙河京密引水渠分流堰下游，沙河牤牛河左岸，河道左岸无河堤，与现有的砂石坑蓄洪区连通。

图5 河道子槽段横断图

沙河牤牛河蓄洪区坑底高程为50m，蓄洪区出口处下游河道河底高程为53m。考虑沙河牤牛河流域属砂土地区，来水下渗较快，平时河道内无基流，发生洪水时可认为蓄洪区空库迎汛。起调水位50.0m情况下，10年、20年一遇洪水出流量分别减少为160、248m3/s，洪峰流量分别削减26%、 11%；起调水位53.0m情况下，洪水削峰作用有所减少，10年、20年一遇洪峰流量分别削减 16%、7%。调洪成果见表1。

表1 拟建沙河牤牛河蓄洪区调洪成果

从表1可看出，沙河蓄滞洪区滞蓄效果明显，对干流洪峰有明显的消减作用，减轻下游地区的防洪压力效果明显。同时，雨洪经过滞蓄后，能有效改善当地的生态环境，缓解当地地下水的紧缺状况。

2.5 蓄水回灌，涵养地下水源

潮白河地下水库位于潮白河冲积扇中上部，面积约400km2，调蓄库容量约为25亿m3。潮白河地下水库库区分布着多个市级大型水源地和区县级水源地，总开采量约 3亿 m3。1999～2010年，库区地下水严重超采，地下水位平均下降25m，最大埋深达45m［5］。

密云沙河段位于潮白河地下水库范围内，是潮白河地下水库库区具备回灌能力的河道之一，属于密怀顺地下回灌区，据现场调查和搜集的已有回灌试验成果，沙河密云段回灌能力初期能够达到8m3/s，具有良好的地下水回灌条件。南水北调来水调入密云水库调蓄工程团城湖～怀柔水库调水规模20m3/s，怀柔水库～密云水库调水规模10m3/s。在保证向密云水库调水规模10m3/s，满足密云水库补偿调节功能的前提下，南水北调来水调入密云水库调蓄工程在本段河道预留了分水口，沙河补水预留分水口位于京密引水渠左岸，沙河左岸，分水口分水规模按照4m3/s考虑［6］。

沙河内砂石坑经过整治后，增大了河道的入渗面积，为蓄水回灌地下提供了良好的条件。为利用南水北调初期多余来水回补地下水库，高效利用南水北调水，增加首都水资源战略储备提供了前期条件。蓄水回灌涵养地下水，能有效遏制地下水位下降趋势，提高城乡供水安全保证率；能改善地表地下水环境，修复河流水陆生态系统，提高河流生态服务功能价值；能促进宜居城市建设，形成地表、地下联动储备水资源格局。

3 结语

（1）本文结合密云区沙河治理，对河道内遍布的砂石坑，提出了陡坡整治、子槽联通和生态修复三项治理措施，在河道的陡坡治理方案中，结合密云县平原区造林项目，进行了多方案的比选，采用了1∶5的缓坡治理方案，有效的解决了拆迁占地量大、缺土严重等问题，使工程设计方案具有很强的实施性。

（2）根据密云段沙河的现场实际情况，提出了在沙河及牤牛河分水口段三角地砂石坑设置滞洪蓄洪区；结合南水北调来水调入密云水库调蓄工程，提出了蓄水回灌涵养地下水砂石坑综合利用方式，为其它类似工程设计提供参考。

（3）砂石坑治理中，应重视回填地区地下水污染治理及地下水防护。回填前必须将位于地下水防护区和补给区内的所有垃圾进行清理。再对已造成地下水污染的回填砂石坑先清除污染源，进而控制污染的扩散，然后进行治理，同时需对地下水水质进行监测。

［1］杨鸣禅.北京市平原区砂石坑综合治理利用思路［J］.水利规划与设计，2010（03）.

［2］北京市水利规划设计研究院.密云县沙河治理工程实施方案［R］.2013.

［3］朱晨东.关于我国河流生态整治的若干方向性问题［J］.水利科技与经济，2012（01）.

［4］沈来新，邓卓智.北京水系生态治理的理念与实践［J］，中国水利，2010（10）.

［5］北京市水利规划设计研究院.南水北调来水初期地下水回灌规划［R］.2013.

［6］北京市南水北调配套工程南水北调来水调入密云水库调蓄工程沿线补水工程设计方案，南水北调来水初期地下水回灌规划［R］.2014.

TV85

B

1672-2469（2017）02-0108-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.02.034

2016-12-01

潘海琳（1980年—），女，高级工程师。